Den striatala balansräkningen i narkotikamissbruk: olika roller av direkta och indirekta vävnader i nervsystemet (2011)

Beskrivning

Missbruk av droger utövar potenta molekylära och cellulära förändringar i både dorsal striatum (dStr) och ventral striatum (nucleus accumbens, NAc), och många av dessa förändringar inträffar i medelstora taggiga neuroner (MSN), de huvudsakliga projektionsneuronerna i dStr och NAc, som står för 90–95 % av alla neuroner i dessa regioner. Forskare har dock tills nyligen inte kunnat tydligt definiera de två MSN-subtypernas olika roll i beroenderelaterade fenomen. De två MSN-subtyperna skiljer sig åt genom deras anrikning av dopaminreceptor 1 (D₁) eller dopaminreceptor 2 (D₂) samt flera andra gener (Gerfen och Young, 1988; Gerfen et al., 1990; Le Moine et al., 1990, 1991; Bernard et al., 1992; Ince et al., 1997; Lobo et al., 2006, 2007; Heiman et al., 2008; gensat.org) och genom deras distinkta projektioner genom den kortiko-basala ganglierna (de direkta vs. indirekta vägarna; Gerfen, 1984, 1992). Tidigt arbete antydde att droger utövar störst inflytande på D₁+ MSN, med användning av många dopaminreceptoragonister och -antagonister som ger viktig insikt i de funktionella och molekylära rollerna för varje MSN i drogbelöningsbeteenden (Själv, 2010). Men nuvarande celltypsspecifika metoder, inklusive fluorescerande reportermöss som uttrycker GFP under D₁ eller D₂ bakteriella artificiella kromosomer (BACs; Gong et al., 2003; Valjent et al., 2009; gensat.org), villkorade musmodeller såsom användningen av tetracyklinreglerade inducerbara transgena möss (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999), och transgena möss som uttrycker Cre-rekombinas med användning av D₁ eller D₂ BAC, jäst artificiella kromosomer (YAC) eller knock-in möss (Gong et al., 2007; Lemberger et al., 2007; Heusner et al., 2008; Parkitna et al., 2009; Valjent et al., 2009; Bateup et al., 2010; Lobo et al., 2010; gensat.org) såväl som celltypsspecifik virusmedierad genöverföring (Cardin et al., 2010; Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011), har gett djupgående ny insikt i den exakta molekylära grunden för varje MSN-subtyp och deras reglering av missbruksdroger (tabell 1).

Tabell 1. Effekter av celltypsspecifik genetisk manipulation i D₁+ och D₂+ MSN i drogberoendemodeller.

Nya fynd stödjer slutsatsen av en mer dominerande roll för D₁+ MSN för att producera den förstärkande och sensibiliserande effekten av missbruk av droger, med de mest robusta molekylära förändringarna som inträffar i dessa MSN. Till exempel inducerar akut exponering för psykostimulerande medel potent många signalmolekyler inklusive FosB, ERK, c-Fos och Zif268 i D₁+ MSN, medan upprepat kokain preferentiellt inducerar ΔFosB och förändrar GABA-receptorn och andra jonkanalsubenheter även i denna celltyp (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Berretta et al., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Hopp et al., 1994; Bertran-Gonzalez et al., 2008; Heiman et al., 2008). Dessutom stör eller överuttrycker specifika molekyler, såsom ΔFosB, DARPP-32 eller Nr3c1 (glukokortikoidreceptorn), i D₁+ MSN:er härmar vanligtvis de läkemedelsrelaterade beteenden som observeras när dessa förändringar görs på ett icke-celltypsspecifikt sätt, samtidigt som sådana gener störs i D₂+ MSN orsakar ofta ett motsatt svar (Fienberg et al., 1998; Kelz et al., 1999; Deroche-Gamonet et al., 2003; Zachariou et al., 2006; Ambroggi et al., 2009; Bateup et al., 2010). Ändå kan vi inte utesluta ett viktigt bidrag från D₂+ MSN i anpassningar till missbruk av droger, eftersom kokainexponering förändrar genuttrycket i båda MSN-subtyperna (Heiman et al., 2008) och D₂-receptoragonister och -antagonister utövar potenta effekter i beteendeanalyser (Själv, 2010). I själva verket visar nya fynd att molekylära signalanpassningar i D₂+ MSN modifierar ett djurs beteenderespons på droger (Lobo et al., 2010). De senare fynden visade att förlust av TrkB (receptorn för BDNF) i D₂+ MSN resulterar i liknande beteenderesponser på kokain som total TrkB knockout från NAc, vilket för första gången visar en selektiv dominerande roll för en molekylär väg i D₂+ MSN för att förmedla effekterna av missbruk av droger.

Slutligen avslöjar ny litteratur att de två MSN utövar antagonistiska effekter i drogrelaterade beteenden, där aktivering av D₁+ MSN eller hämning av D₂+ MSN ökar ett djurs känslighet för en missbrukardrog (Hikida et al., 2010; Lobo et al., 2010; Ferguson et al., 2011). Dessa fynd överensstämmer med motsatta roller för de två MSN:erna och deras direkta kontra indirekta vägar i de basala ganglierna i motoriskt beteende (Alexander et al., 1986; Albin et al., 1989; Graybiel, 2000; Kravitz et al., 2010). Denna senaste litteratur överensstämmer med den allmänna idén att dopaminerg neurotransmission, som aktiveras av alla missbruksdroger, underlättar glutamaterg aktivering av D₁+ MSN samtidigt som den hämmar glutamatergisk aktivering av D₂+ MSN genom dess åtgärder på D₁ vs. D₂ dopaminreceptorer (Figur 1). I den här recensionen tar vi upp den nuvarande kunskapen om den distinkta molekylära signaleringen som uppvisas av dessa två MSN-subtyper i förhållande till deras funktionella roller och svar på missbruk av droger.

Figur 1. Alla missbruksdroger ökar dopaminsignaleringen i striatum, vilket differentiellt kan modulera glutamaterg aktivitet i de två MSN-subtyperna. I synnerhet binder kokain till dopamintransportören och förhindrar dopaminåterupptag i terminalerna av VTA-dopaminneuroner. Aktivering av G_s/_olf kopplat D₁ receptorer ökar PKA-aktiviteten och förändrar Ca²⁺ och K⁺ konduktanser för att förbättra det glutamatmedierade "upptillståndet" i dessa MSN. Däremot aktiveras G_i/G_o D₂-receptorer minskar PKA-aktivitet och förändrar Ca²⁺, Na⁺, och K⁺ konduktanser för att minska det glutamatmedierade "upptillståndet". Detta flyttar dessa MSN:er tillbaka till deras vilande "down-state".

Dopaminreceptorsignalering i D₁ vs. D₂ MSN

Som redan nämnts aktiverar alla missbruksläkemedel dopaminergisk input till NAc och relaterade limbiska hjärnregioner (Volkow et al., 2004; Klokt, 2004; Nestler, 2005). Till exempel verkar psykostimulerande medel som kokain eller amfetamin direkt på den dopaminerga belöningsvägen genom att störa dopamintransportören: kokain blockerar transportören och amfetamin reverserar transportören, båda åtgärderna resulterar i en uppbyggnad av dopamin i synapsen som kan aktivera nedströms dopamin receptorer på målneuroner (Figur 1). De två MSN:erna skiljer sig mest åt genom deras berikning av D₁ vs. D₂-receptorer även om encelliga RT-PCR-studier visar att D₁+ MSN uttrycker låga nivåer av D₂-liknande receptor, D₃ och D₂+ MSN uttrycker låga nivåer av D₁-liknande receptor, D₅ (Surmeier et al., 1996). De två MSN kräver glutamatergisk innervation för att driva neural aktivitet; dopamin modulerar motsatsen dessa funktionella svar via stimulering av distinkta dopaminreceptorsubtyper: genom att positivt modulera excitatorisk glutamatergisk input genom D₁ receptorsignalering via G_s eller G_olf, vilket stimulerar adenylylcyklas vilket leder till ökad PKA-aktivitet, medan dopamin negativt modulerar denna inmatning genom D₂-receptorsignalering via G_i och G_o som hämmar adenylylcyklas vilket orsakar minskad PKA-aktivitet (Surmeier et al., 2007; Gerfen och Surmeier, 2011). I verkligheten utövar varje receptor komplexa effekter på många ytterligare nedströms signalvägar. I vila är de två MSN-subtyperna i allmänhet hämmade, de befinner sig i vad forskare har kallat down-state. Excitatorisk glutamatergisk synaptisk aktivitet kan frigöra MSN från detta nedre tillstånd och flytta dem till ett mer depolariserat tillstånd (upptillståndet). Dopamin modulerar på motsatt sätt det excitatoriska glutamatergiska skiftet till upp-tillståndet. D₁ aktivering av PKA ökar Cav1 L-typ Ca²⁺ kanalaktivitet, minskar somatisk K⁺ kanalaktivitet och nedreglerar Cav2 Ca²⁺ kanaler som styr aktivering av Ca²⁺ beroende, liten ledningsförmåga K⁺ (SK) kanaler, vilket resulterar i ökad spikning i dessa MSN (Surmeier et al., 2007; Gerfen och Surmeier, 2011). Däremot D₂ signalering hämmar upp-tillståndsövergången, och förhindrar därmed ökad spik, via minskning av Cav1 L-typ Ca²⁺ kanalaktivitet och Nav1 Na⁺ kanalaktivitet samtidigt som man ökar K⁺ kanalströmmar (Surmeier et al., 2007; Gerfen och Surmeier, 2011; Figur 1). Sådana motsatta förändringar i de två MSN:erna tyder på att ökad dopaminsignalering framkallad av missbruksdroger bör öka glutamatergisk aktivering av D₁+ MSN och minska glutamatergisk aktivering av D₂+ MSN. I verkligheten är sådana svar mycket mer varierande och komplexa av skäl som fortfarande är dåligt förstådda. Detta ämne kommer att behandlas ytterligare nedan.

Dopaminreceptorernas roll i drogmissbruk är komplex och ofta svåröverskådlig (Själv, 2010). Det finns ett överflöd av litteratur om rollen som D₁ och D₂-receptoragonister och -antagonister för att modulera givande egenskaper och självadministrering av missbruksdroger, men resultaten skiljer sig åt beroende på vilken typ av agonist/antagonist som används, typen av leverans (systemisk kontra hjärnregionspecifik) och tidpunkten av behandlingen (Själv, 2010). Sådana resultat förvirras ytterligare av icke-striatala specifika effekter, såsom bidraget av pre-synaptisk D₂-receptorer från VTA eller närvaro av D₁ receptorer i många andra limbiska regioner, och bristen på specificitet hos de använda agonisterna/antagonisterna samt uttrycket av D₁-liknande och D₂-liknande receptorer i båda MSN-subtyperna som noterats tidigare. I allmänhet tror man att D₁ receptorer spelar en mer dominerande roll i de primära givande egenskaperna hos droger, medan D₂-receptorer spelar en roll i läkemedelssökningsmekanismer (Self et al., 1996; Själv, 2010). Studier med D₁ receptor och D₂-receptor knockout möss ger en viss insikt i rollen av dessa receptorer i de två MSN. D₁ knockoutmöss visar en avtrubbad induktion av omedelbara tidiga gener (IEG) c-Fos och Zif268 som svar på kokain, ett minskat svar på psykostimulantinducerad rörelseaktivitet men utan förändringar i kokainkonditionerad platspreferens (CPP) – ett indirekt mått på drogbelöning och minskad självadministration av kokain och etanolkonsumtion (Miner et al., 1995; Drago et al., 1996; Crawford et al., 1997; El-Ghundi et al., 1998; Caine et al., 2007). D₂ knockoutmöss uppvisar minskade givande effekter på opiater och kokain samt minskad etanolkonsumtion men ingen minskning av kokainintaget (Maldonado et al., 1997; Cunningham et al., 2000; Risinger et al., 2000; Caine et al., 2002; Chausmer et al., 2002; Elmer et al., 2002; Welter et al., 2007). Sådana data stöder viktiga roller för D₁ och D₂-receptorer i de två MSN:erna i flera aspekter av drogmissbruk, men knockouterna saknar striatal specificitet och inträffar tidigt i utvecklingen, så man kan inte utesluta andra hjärnregioner och celltyper och utvecklingsfaktorer för att mediera dessa beteenden. Slutligen, minskade nivåer av D₂/D₃ receptorer i striatum, som visualiserats av hjärnavbildning, har blivit en vanlig markör för beroende hos mänskliga patienter, särskilt under abstinensperioder (Volkow et al., 2009). Gnagare som får virusmedierad genöverföring av D₂-receptorer till NAc visar försvagad kokain-självadministrering och etanolkonsumtion (Thanos et al., 2004, 2008). Dessa studier utfördes inte på ett celltypsspecifikt sätt, så vi kan inte utesluta den möjliga effekten av D₂-receptoröveruttryck som påverkar D₁+ MSN. Denna insamling av data betonar behovet av att gå över till mer selektiva tillvägagångssätt, inklusive celltypsspecifika, regionspecifika och till och med tidsspecifika manipulationer av dopaminreceptorerna för att bättre belysa deras funktionella roller i de två MSN-subtyperna i drogberoende.

Slutligen har det nyligen rapporterats att D₂-GFP homozygota BAC-transgena möss visar ökade uttrycksnivåer av D₂-receptor i striatum och förbättrad beteendekänslighet och dopaminsignalering till D₂ agonister. Dessutom uppvisar både homozygoter och hemizygoter trubbiga beteendesvar på kokain (Kramer et al., 2011). Denna studie belyser behovet av att utföra grundlig karakterisering av D₁ och D₂ fluorescerande reporter och Cre driver linjer. Men majoriteten av data som samlades in i denna studie använde homozygoter, vilket inte är den ideala experimentella genotypen eftersom 5–10% av transgenintegreringarna resulterar i insättningsmutationer (Meisler, 1992); därför är hemizygotgenotypen den mer tillförlitliga experimentella genotypen. Dessutom använde denna studie inte kontroller av vildtyp av kullsvenn utan använde kontroller på en liknande bakgrund (Swiss Webster) erhållna från Taconic, medan deras transgena linjer erhölls från GENSAT och MMRRC. Slutligen har en annan grupp visat normala kokainlokomotoriska beteendesvar i D₂-GFP hemizygoter (Kim et al., 2011). Således måste framtida studier med korrekta kontroller och korrekta genotyper utföras för att helt karakterisera de olika celltypsspecifika transgena linjerna som finns tillgängliga.

Glutamat och GABA-signalering i D₁ vs. D₂ MSN

Medelstora taggiga neuroner får glutamatergisk input från flera hjärnregioner inklusive prefrontal cortex, amygdala och hippocampus, och GABAergic input från lokala interneuroner och kanske kollateral input från andra MSN. Netto excitatorisk och hämmande reglering av MSN är utan tvekan avgörande för att reglera det drogberoende tillståndet, och det finns nu en växande litteratur om de komplexa sätten på vilka missbruksdroger förändrar glutamatergisk neurotransmission i synnerhet i NAc (Pierce et al., 1996; Thomas et al., 2001; Beurrier och Malenka, 2002; Kourrich et al., 2007; Bachtell och själv, 2008; Bachtell et al., 2008; Conrad et al., 2008; Kalivas, 2009; Wolf, 2010). Även om MSN främst tros existera i ett hämmat nedtillstånd under basala förhållanden med glutamatdrivande aktivitet av båda celltyperna, finns det fortfarande begränsad information med avseende på distinkt reglering som förekommer i D₁ vs. D₂ MSN.

ΔFosB överuttryck i D₁+ MSN (se nedan för mer information) förbättrar de givande effekterna av kokain och ökar nivåerna av Ca²⁺-ogenomtränglig glutamatreceptorsubenhet, GluR2, i NAc. Dessutom förstärker virusmedierad genöverföring av GluR2 till NAc på liknande sätt de givande effekterna av kokain (Kelz et al., 1999). Det är dock inte känt om induktionen av GluR2 ses som svar på ΔFosB-överuttryck i D₁+ MSN är också specifik för dessa neuroner, och det virala överuttrycket av GluR2 är inte celltypsspecifikt, därför kan vi inte dra direkta slutsatser om GluR2-funktion i dessa två MSN i läkemedelsbelöning. Heusner och Palmiter (2005) utvärderade rollen av NMDA glutamatergisk konduktans i kokainbeteenden genom att uttrycka en NR1-subenhet, som innehåller en mutation i poren som minskar kalciumflödet, selektivt i D₁+ MSN. Denna grupp visade att bristen på NMDA-konduktans i D₁+ MSN förhindrar kokain-inducerad CPP och kokain lokomotorisk sensibilisering, vilket belyser nödvändigheten av NMDA-signalering i D₁+ MSN för de givande och sensibiliserande effekterna av kokain (Heusner och Palmiter, 2005). Dessutom upptäcktes det nyligen att slå ut NR1-subenheten i D₁+ MSN dämpar amfetaminsensibilisering och denna fenotyp räddades genom att återförsörja NR1-subenheten till D₁+ MSN specifikt i NAc (Beutler et al., 2011). Slutligen, knockdown av mGluR5-subenheten, med hjälp av RNA-interferens, i D₁+ MSN har ingen effekt på de initiala givande egenskaperna hos kokain men minskar det cue-inducerade återinförandet av kokainsökning (Novak et al., 2010). Medan dessa data avslöjar övertygande roller för glutamatergisk signalering i D₁+ MSN, framtida arbete behövs för att studera glutamaterga system i D₂+ MSN. Framtida forskning bör också utvärdera hur modulering av dessa glutamatreceptorsubenheter i de två MSN-subtyperna påverkar de strukturella synaptiska förändringarna som observeras i NAc efter missbruk av droger (Dietz et al., 2009; Russo et al., 2010), särskilt de dendritiska förändringarna som observerats efter kokainexponering selektivt i D₁+ MSN (Lee et al., 2006; Kim et al., 2011) vilket kan vara associerat med ökningen av miniatyr excitatoriska postsynaptiska strömmar som observerats i D₁+ MSN (Kim et al., 2011). Intressant nog är ΔFosB-induktion i D₁+ MSN har varit direkt relaterade till sådana dendritiska anpassningar efter kronisk kokain (Maze et al., 2010).

Till skillnad från glutamat finns det en brist på forskning om GABA-funktion i de två MSN i beroendemodeller, vilket är förvånande med tanke på att både etanol och bensodiazepiner förstärker effekterna av GABA och de två MSN:erna får täta GABAergiska insatser som nämnts ovan. Det finns också betydande bevis som pekar på ökad hämning av NAc åtminstone efter kronisk kokainexponering (White et al., 1995; Peoples et al., 1998; Zhang et al., 1998; Thomas et al., 2001; Beurrier och Malenka, 2002). Heiman et al. (2008) utförde genetisk screening med hög genomströmning i de två MSN:erna efter kronisk kokainexponering och, intressant nog, den mest förändrade biologiska processen i D₁+ MSN var GABA-signalering. I synnerhet fanns det potent uppreglering av GABA_A receptorsubenheter Gabra1 och Gabra4 såväl som GABA_B receptorsubenhet Gabrb3, och denna grupp fann att kronisk kokain ökar frekvensen av GABAergic mini-hämmande postsynaptiska strömmar med liten amplitud (mIPSCs) i D₁+ MSN (Heiman et al., 2008). Å andra sidan visade en annan grupp nyligen att kronisk kokain resulterar i ett motsatt svar med minskad frekvens och amplitud av mIPSCs i D1+ MSN (Kim et al., 2011). Den senare gruppen visade dock minskad membranexcitabilitet i D₁+ MSN efter kronisk kokain, vilket kan vara en återspegling av förstärkt GABA-ton och överensstämmer med fältets bedömning av förstärkt hämning i NAc efter exponering för kroniskt kokain. Dessutom kan sådana skillnader mellan de två grupperna helt enkelt bero på tidpunkten för exponering och utsättning av kokain. Generellt sett finns det ett behov av att studera glutamatergisk och GABAergisk funktion i de två MSN:erna som svar på missbruksdroger och fältet är nu utrustat med de resurser som gör en sådan celltyps- och regionspecifik studie möjlig.

Annan receptorsignalering i D₁ vs. D₂ MSN-undertyper

De två MSN:erna är differentiellt berikade på andra G-proteinkopplade receptorer förutom dopaminreceptorer. D₁+ MSN uttrycker högre nivåer av acetylkolinmuskarinreceptorn 4 (M₄; Bernard et al., 1992; Ince et al., 1997) och D₂+ MSN är berikade med både adenosinreceptor 2A (A_2A; Schiffmann et al., 1991; Schiffmann och Vanderhaeghen, 1993) och G-proteinkopplad receptor 6 (Gpr6; Lobo et al., 2007; gensat.org). M₄ är kopplad till G_{i / o}, vilket skulle ge ett motsatt svar jämfört med D₁ receptorer, i D₁+ MSN genom att hämma cAMP/PKA-aktivitet. Faktum är att en D₁+ MSN-selektiv M₄ knockout visade ökad beteendesensibilisering mot kokain och amfetamin (Jeon et al., 2010). Dessutom har nyligen genomförda studier med en designerreceptor som uteslutande aktiverats av ett syntetiskt läkemedel (DREADD) visat att aktivering av det DREADD Gi/o-kopplade humana M₄ receptor (hM₄D) i D₁+ MSN minskade beteendesensibilisering mot amfetamin, med det motsatta svaret som ses i D₂+ MSN (Ferguson et al., 2011). Sådana data avslöjar den antagonerande rollen som M₄ receptorer i D₁+ MSN vid drogmissbruk. Likaså, sedan hM₄D-receptorn hämmar dessa MSN kraftigt, data ger insikt i effekten av förändrad aktivitet hos dessa två MSN vid drogmissbruk, vilket kommer att diskuteras vidare nedan.

Båda A_2A och Gpr6 är positivt kopplade till G_s/G_olf proteiner, vilket implicerar deras roll i att antagonisera D₂-receptor i D₂+ MSN. Faktum är att stimulering av A_2A receptorer har visat sig minska både utvecklingen och uttrycket av kokainsensibilisering (Filip et al., 2006), försämra initieringen av självadministration av kokain (Knapp et al., 2001), och motverkar återinförandet av kokainsökning framkallad av kokain, D₂-receptorstimulering eller kokainkonditionerade signaler (Bachtell och själv, 2009). Eftersom Gpr6 också är berikad i D₂+ MSN (Lobo et al., 2007), bör dess roll i beteendefunktioner hos striatum utvärderas. Hittills har det visat sig påverka instrumentellt lärande (Lobo et al., 2007) men dess roll i drogmissbruksmodeller är ännu okänd.

Cannabinoidreceptorn 1 (CB1) uttrycks överallt i det centrala nervsystemet (Mackie, 2008), därför är det svårt att dissekera den exakta rollen för specifika hjärnregioner och celltyper för att förmedla Δ9-tetrahydrocannabinol (THC) beroende. Nyligen har radering av CB1 från D₁+ MSN befanns påverka beteendemässiga reaktioner på THC måttligt, inklusive trubbiga effekter i THC-inducerad hypolokommotion, hypotermi och analgesi (Monory et al., 2007). Det skulle vara intressant att utvärdera cannabinoidreceptorfunktionen i D₂+ MSN eftersom dessa MSN uttrycker endocannabinoidmedierad långtidsdepression (eCB-LTD), som kräver dopamin D₂-receptoraktivering (Kreitzer och Malenka, 2007).

Glukokortikoidreceptorn, Nr3c1, uttrycks också brett i CNS och periferin. Stressinducerad glukokortikoidsekretion kan potentiera maladaptiva beteenden inklusive drogberoende (Frank et al., 2011). I synnerhet stör glukokortikoidsignalering i D₁+ MSN genom att ta bort Nr3c1 minskade motivationen dessa möss visar att själv administrera kokain, och detta överensstämmer med tidigare data där Nr3c1 raderades från hela hjärnan (Ambroggi et al., 2009). Dessa data överensstämmer med andra fynd som beskrivs i denna recension, och visar en dominerande roll för D₁+ MSN för att förmedla många av effekterna av missbruk av droger.

Slutligen störde vi nyligen BDNF-signalering i de två MSN:erna genom att ta bort dess TrkB-receptor selektivt från varje MSN-subtyp. Vi observerade motsatta effekter på kokain-framkallade beteenden: kokain-inducerad rörelseaktivitet och induktionen av kokain CPP förstärktes efter TrkB-deletion från D₁+ MSN, men försvagad efter radering från D₂+ MSN (Lobo et al., 2010). Intressant nog är borttagningen av TrkB från D₂+ MSN:er härmar effekterna av total radering av TrkB från NAc såväl som störningar av BDNF-signalering från VTA (Horger et al., 1999; Graham et al., 2007, 2009; Bahi et al., 2008; Crooks et al., 2010). Dessa fynd visar alltså för första gången en dominerande roll för en signaleringskaskad i D₂+ MSN för att förmedla effekterna av en missbruksdrog. Den dominerande rollen som D₂+ MSN:er för att förmedla BDNF:s effekter på kokainframkallade beteenden är inte förvånande med tanke på att både TrkB mRNA och protein är berikade i D₂+ MSN (Lobo et al., 2010; Baydyuk et al., 2011). De beteendeförändringar som observerades hos dessa möss åtföljdes av förbättrad neuronal aktivitet i D₂+ MSN vid en selektiv knockout av TrkB. Dessa fynd fick oss att använda optogenetisk teknologi för att selektivt manipulera MSN-aktivitet i kokainbelöning (se nedan).

Transkriptionsfaktorer i D₁ vs. D₂ MSN

Det mest övertygande beviset för den mer robusta rollen som D₁+ MSN vid drogmissbruk kommer från litteratur som utvärderar induktion av intracellulära signalmolekyler. Som nämnts ovan inducerar akuta doser av psykostimulanter IEG-uttryck, inklusive c-Fos, Zif268 (Egr1) och FosB främst i D₁+ MSN i NAc och dStr (Robertson et al., 1991; Young et al., 1991; Berretta et al., 1992; Cenci et al., 1992; Moratalla et al., 1992; Bertran-Gonzalez et al., 2008). Denna induktion kräver aktivering av D₁ receptorer, och celltypsspecificiteten för IEG-induktionen som svar på akut kokain bekräftades nyligen med D₁-GFP och D₂-GFP-reportermöss (Bertran-Gonzalez et al., 2008). Intressant nog är bekräftelsen av kokains induktion av c-Fos främst i D₁-GFP i hela striatum med en liten induktion i D₂-GFP MSN endast i dStr bekräftades med hjälp av ett kontextberoende paradigm (möss injicerades i en ny miljö utanför sin hembur). Dessutom en tidigare studie med hjälp av in situ hybridisering i möss visade också induktion av c-Fos i D₁+ och D₂+ MSN i dStr, även om representativa stapeldiagram i denna studie visar ett större antal D₁+ c-Fos positiva neuroner (Ferguson et al., 2006). Intressant nog avslöjar denna studie signifikant förbättrad c-Fos-induktion i D₂+ MSN i dStr efter förlust av ERK1, vilket är parallellt med våra upptäckter av förbättrad c-Fos-induktion i D₂+ MSN specifikt i NAc-skalet efter avbrott i BDNF-signalering som är känd för att förbättra ERK-aktivitet (Lobo et al., 2010). Emellertid observerades motsatta beteenderesponser på kokain i varje studie, vilket kan återspegla induktion av c-Fos i D₂+ MSN i dStr vs NAc-skal. Slutligen, tidigare litteratur som använder in situ hybridisering/immunohistokemi hos råttor har visat att akuta psykostimulanter kan inducera c-Fos lika i båda MSN när läkemedlet ges i en ny miljö (Badiani et al., 1999; Uslaner et al., 2001a,b; Ferguson och Robinson, 2004) och kronisk administrering av amfetamin rapporteras selektivt inducera c-Fos i D₂+ MSN (Mattson et al., 2007). Dessa olika resultat kan vara en återspegling av de experimentella procedurerna som används (in situ hybridisering vs. GFP-reportermöss) eller till och med bero på den djurart som användes då de senare experimenten använde råttor.

Nyligen profilerade forskare genetiskt de kokainkontextberoende, c-Fos-aktiverade neuronerna hos råttor med hjälp av immunmärkt fluorescensaktiverad cellsortering (FACS) och visade att c-Fos+-neuronerna är berikade i en D₁+ MSN-genen, prodynorfin (Pdyn), men har lägre nivåer av D₂ och A_2A, båda D₂+ MSN gener (Guez-Barber et al., 2011), vilket tyder på att de c-Fos+ aktiverade neuronerna huvudsakligen består av D₁+ MSN. Dessutom har denna grupp tidigare visat att c-Fos uttryckande MSN är viktiga för denna kontextberoende sensibilisering, eftersom ablation av dessa neuroner avskaffar denna beteendefenotyp (Koya et al., 2009). Även om tidigare data visade att den kokainkontextberoende induktionen av c-Fos förekommer i både D₁+ och D₂+ MSN hos råttor, de senaste resultaten motsvarar fynd där radering av c-Fos selektivt från D₁+ MSN dämpar kokain-inducerad rörelsesensibilisering hos möss (Zhang et al., 2006). Dessutom fann denna grupp att radering av c-Fos i D₁+ MSN trubbar de dendritiska ryggradsförändringarna som normalt induceras av kokain i NAc, vilket indikerar en roll för c-Fos i att förmedla dessa synaptiska plasticitetsförändringar. Slutligen observerade gruppen ingen förändring i induktionen av kokain CPP, men fann att förlust av c-Fos i D₁+ MSN förhindrade utrotning av kokain CPP. Sådana data illustrerar en dynamisk roll för c-Fos-induktion i D₁+ MSN, dock kan man inte utesluta att de differentiella effekterna på beteendenivån förmedlas av någon av flera andra limbiska hjärnregioner som uttrycker D₁ receptom.

En annan IEG som har studerats omfattande i de två MSN-subtyperna är FosB. Akut exponering för kokain inducerar FosB i D₁+ MSN (Berretta et al., 1992), medan kronisk exponering inducerar ΔFosB, en stabil produkt av FosB-genen som genereras genom alternativ splitsning (Hopp et al., 1994; Nestler et al., 2001; Nestler, 2008), i D₁+ MSN (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996; Lee et al., 2006). Liknande fynd observeras med många andra missbruksdroger såväl som med naturliga belöningar som mat, sex och hjulkörning. Till exempel kronisk hjullöpning, vilket är en naturlig belöning (Iversen, 1993; Belke, 1997; Lett et al., 2000), inducerar ΔFosB i D₁+ MSN men inte D₂+ MSN (Werme et al., 2002). För att få funktionell insikt i rollen för ΔFosB i de två MSN:erna genererade vår grupp NSE-tTa-linjer, benämnda 11A och 11B, som riktar transgenexpression till antingen D₁+ eller D₂+ MSN, respektive (Chen et al., 1998; Kelz et al., 1999; Werme et al., 2002). Linje 11A möss korsade med en Tet-Op ΔFosB-linje visar ökade svar på de givande och rörelseeffekterna av kokain (Kelz et al., 1999), vilket överensstämmer med ΔFosB-induktion i D₁+ MSN (Nye et al., 1995; Moratalla et al., 1996). Dessutom visar samma möss ökad morfinbelöning (utvärderad av CPP) såväl som minskad morfinanalgesi och förbättrad morfintolerans, medan 11B Tet-Op ΔFosB-möss inte visar någon förändring i morfinbelöning. Överuttryck av en dominant negativ antagonist av ΔFosB utövar effekter motsatta de som ses med ΔFosB, även om denna musmodell inte särskiljer D₁ vs. D₂ MSN (Peakman et al., 2003). Tillsammans stöder dessa data ytterligare rollen av ΔFosB-induktion i D₁+ MSN som en viktig molekylär aktör i de givande egenskaperna hos droger (Zachariou et al., 2006). Detta fenomen observeras också i andra belöningsbeteenden, i synnerhet hjullöpning: 11A Tet-Op ΔFosB-möss visar ökat hjulkörningsbeteende, medan 11B Tet-Op ΔFosB-möss visar minskad hjulkörning (Werme et al., 2002). Upptäckten att ΔFosB-induktion i D₁ MSN främjar belöning överensstämmer med de senaste fynden att sådan celltypselektiv induktion också främjar motståndskraft vid kronisk stress (Vialou et al., 2010). Slutligen, kronisk kokaininduktion av ΔFosB i D₁+ MSN visades åtföljas av robusta långvariga ökningar av dendritiska ryggraddensiteter (Lee et al., 2006) och nyligen ΔFosB i NAc visade sig vara både nödvändiga och tillräckliga för att förmedla den ökade tätheten av dendritiska ryggraden i denna hjärnregion (Maze et al., 2010). Sådana data stöder en roll för ΔFosB i D₁+ MSN:er för att förmedla de givande aspekterna av missbruk av droger och naturliga belöningar samt de medföljande strukturella plasticitetsförändringarna. Data antyder också att induktion av ΔFosB i D₂+ MSN ger negativa konsekvenser till givande stimuli. Eftersom ΔFosB-induktion i D₂+ MSN ses som svar på kronisk stress och exponering för antipsykotiska läkemedel (Hiroi och Graybiel, 1996; Perrotti et al., 2004), behövs ytterligare studier av de senare åtgärderna.

Andra intracellulära signalmolekyler i D₁ vs. D₂ MSN

En signalmolekyl som har studerats väl i de två MSN i samband med drogmissbruk är proteinkinaset, ERK (extracellulärt signalrelaterat kinas). Akut eller kronisk exponering för kokain inducerar fosforylerad ERK (pERK), den aktiverade formen av proteinet, i NAc och dStr i D₁+ MSN med D₁-GFP och D₂-GFP BAC transgena reportermöss (Bertran-Gonzalez et al., 2008) och detta svar förmedlas genom D₁ receptorer (Valjent et al., 2000; Lu et al., 2006). Denna grupp visade också att pMSK-1 (fosfo-MAP och stressaktiverat kinas-1) och histon H3, båda målen för pERK-signalering, är robust inducerade i pERK innehållande D₁+ MSN efter akut kokainexponering och måttligt ökad efter kronisk kokain (Bertran-Gonzalez et al., 2008). pERK induceras också som svar på kronisk morfin, i synnerhet induceras pERK robust i D₁+ MSN och blygsamt inducerade i D₂+ MSN i NAc-skalet efter uttag som svar på den kontextspecifika associationen med morfin (Borgkvist et al., 2008). Den exakta funktionella rollen för pERK i drogberoende återstår att fastställa. Farmakologisk behandling med ERK-hämmare har visat sig minska kokainbelöningen, men en knockout av ERK1 förstärker kokainbelöningen, vilket tyder på att ERK-hämmare företrädesvis kan påverka ERK2. Nyligen visade vi att optogenetisk aktivering av D₁+ MSN i NAc, som ökar ett djurs givande svar på kokain, minskar kraftigt både pERK1 och pERK2. Framtida studier som manipulerar ERK-uttryck på ett celltypsspecifikt sätt är nödvändiga för att helt ta itu med den funktionella rollen av ERK-signalering i de två MSN:erna vid drogmissbruk.

DARPP-32 är en annan signalmolekyl som har studerats omfattande som svar på missbruk av droger. Det är välkänt att akuta psykostimulanter leder till PKA-fosforylering av DARPP-32 vid treonin 34 (T34), vilket gör att det blir en potent hämmare av proteinfosfatas 1 (PP-1), som reglerar fosforyleringstillståndet hos många effektorproteiner, inklusive transkriptionsfaktorer, jonotropa receptorer och jonkanaler (Greengard et al., 1999). Men tills nyligen var det oklart vilken MSN-subtyp som förmedlar denna biokemiska förändring. Greengard et al. (1999) genererade BAC-transgena musmodeller som möjliggör utvärdering av DARPP-32-fosforylering i D₁+ eller D₂+ MSN genom att uttrycka taggade versioner av DARPP-32 med D₁ eller D₂ BAC som möjliggör immunoutfällning av DARPP-32 från varje MSN-subtyp. Dessa studier visade att akut kokainbehandling ökar T34-fosforyleringen i D₁+ MSN och inducerar fosforylering av treonin 75 (T75) av Cdk5, vilket hämmar PKA-signalering, selektivt i D₂+ MSN (Bateup et al., 2008). Slutligen visade denna grupp att radering av DARPP-32 från varje MSN-subtyp med D₁-Cre och D₂-Cre BAC transgena möss resulterar i motsatt reglering av kokaininducerad rörelseaktivitet (Bateup et al., 2010). Förlust av DARPP-32 från D₁+ MSN minskade rörelseeffekterna av kokain, vilket efterliknar tidigare data som utvärderar en total DARPP-32 knockout (Fienberg et al., 1998), medan förlust av DARPP-32 från D₂+ MSN förbättrade kokainrörelseresponsen. Sådana data ger konkreta bevis för olika roller för DARPP-32 i de två MSN som svar på missbruk av droger och illustrerar vikten av celltypsspecifika metoder för att till fullo förstå bidraget från dessa två neuronala typer i drogberoende.

Modulerande aktivitet hos D₁ eller D₂ MSN

Att direkt modulera aktiviteten hos de två MSN-subtyperna har nyligen gett ny insikt i den molekylära och funktionella rollen för D₁ och D₂ MSN i missbruk. Vi använde optogenetiska verktyg i kombination med en villkorlig (dvs Cre-beroende) adenoassocierad viral (AAV) vektor som uttrycker den blåljusaktiverade katjonkanalen, channelrhodopsin-2 (ChR2). Vi injicerade vektorn, eller en kontroll, i NAc av D₁-Cre eller D₂-Cre BAC transgena möss och stimulerade sedan den injicerade regionen med blått ljus för att selektivt aktivera D₁+ kontra D₂+ MSN i samband med kokain CPP. Vi hittade att aktiveringen av D₁+ MSN potentierar induktion av kokain CPP, medan aktivering av D₂+ MSN hämmar denna induktion (Lobo et al., 2010). Som nämnts tidigare observerade vi samma beteendeeffekter när TrkB raderades selektivt från dessa MSN-subtyper: förbättrad kokain-CPP och rörelseaktivitet efter TrkB-deletion från D₁+ MSN, och minskad kokain-CPP och rörelseaktivitet efter TrkB-deletion från D₂+ MSN. Den troliga vanliga verkan av TrkB knockout och optogenetisk stimulering i D₂+ MSN är deras ökade aktivitet, eftersom deletion av TrkB från dessa celler ökar deras elektriska excitabilitet. Som nämnts tidigare hittade vi också en robust minskning av pERK efter TrkB-radering från D₁+ MSN. pERK är ett känt nedströmsmål för BDNF-signalering, därför är de delade beteendeeffekterna observerade efter TrkB-deletion från D₁+ MSN och från optogenetisk aktivering av dessa celler kan bero på konvergerande effekter på pERK-aktivitet. Framtida arbete behövs dock för att bestämma den exakta, delade molekylära grunden som styr de beteendeeffekter som ses efter avbrott i BDNF-signalering och optogenetisk kontroll av dessa två neuronala subtyper.

Andra grupper har använt olika verktyg för att modulera aktiviteten hos de två MSN i drogmissbruksmodeller. Hikida et al. (2010) använde AAV-vektorer för att uttrycka tetracyklin-repressiv transkriptionsfaktor (tTa) med användning av substansen P (a D₁+ MSN-genen) eller enkefalin (en D₂+ MSN-gen) promotorer. Dessa vektorer injicerades i NAc hos möss, där stelkrampstoxin lätt kedja (TN) - ett bakteriellt toxin som klyver det synaptiska vesikelassocierade proteinet, VAMP2 - kontrollerades av det tetracyklinkänsliga elementet, för att selektivt avskaffa synaptisk överföring i varje MSN-undertyp. I enlighet med vårt optogenetiska tillvägagångssätt visade dessa data en roll som D₁+ MSN-aktivitet för att förbättra kokain-CPP såväl som kokain-inducerad rörelseaktivitet, sedan avskaffande av synaptisk överföring i D₁+ MSN minskade båda beteendeeffekterna. I motsats till de optogenetiska studierna fann författarna inga förändringar i kokain CPP efter att ha avskaffat synaptisk överföring i D₂+ MSN, men observerade minskad kokain-inducerad rörelseaktivitet som svar på de två första kokainexponeringarna. Intressant nog visade denna grupp att inaktivering av D₂+ MSN spelade en mer djupgående roll i att förmedla aversiva beteenden.

Som tidigare sagt, Ferguson et al. (2011) använde herpes simplex virus (HSV) vektorer för att uttrycka en konstruerad GPCR (en G_{i / o}kopplad human muskarin M₄ designerreceptor exklusivt aktiverad av ett designerläkemedel, hM₄D) som aktiveras av en annars farmakologiskt inert ligand som använder enkefalin- och dynorfinpromotorer för att selektivt tysta D₁+ eller D₂+ MSN i dStr. Författarna visade att övergående störa D₂+ MSN-aktivitet i dStr underlättade amfetaminsensibilisering, medan minskad excitabilitet av D₁+ MSN försämrade persistensen av amfetamininducerad sensibilisering. Slutligen, att avskaffa D₂+ MSN i NAc i vuxna åldrar med användning av difteritoxinreceptor förstärker den givande effekten av amfetamin (Durieux et al., 2009). Sådana data överensstämmer med våra optogenetiska fynd och implicerar tillsammans motsatta roller av D₁+ kontra D₂+ MSN i drogberoende, med D₁+ MSN som främjar både belönings- och sensibiliserande svar på psykostimulerande medel och D₂+ MSN som dämpar dessa beteenden.

framtida Avstånd

Fältet har gjort enorma framsteg mot att förstå D:s selektiva roll₁+ och D₂+ MSN-subtyper i NAc och dStr för att förmedla effekterna av missbruk av droger. I synnerhet har nyligen utvecklade verktyg som möjliggör selektiv manipulering av dessa celltyper spelat en övervägande roll för att erhålla majoriteten av denna information. Vad är nästa steg? Eftersom de underliggande molekylära anpassningarna i drogberoendemodeller inte är statiska, utan mycket dynamiska, är det avgörande att utveckla förmågan att selektivt manipulera signalmolekyler av intresse i D₁+ kontra D₂+ MSN på ett tidsmässigt exakt sätt. DREADDs och optogenetiska verktyg kan hjälpa till med denna tidsskalamanipulation. DREADD-ligander kan administreras vid olika tidsförlopp genom hela läkemedelsbeteendeparadigm för att fördela den selektiva rollen för signalreceptorer i de två MSN:erna i läkemedelsmodeller. Speciellt optogenetiska verktyg ger ett extremt kraftfullt sätt att temporärt reglera inte bara neuronal aktivitet utan G-proteinkopplad receptorsignalering med hjälp av OptoXRs (Airan et al., 2009), glutamatergisk signalering(Volgraf et al., 2006; Numano et al., 2009), GABAergisk signalering och till och med vissa intracellulära signalmolekyler (Wu et al., 2009; Hahn och Kuhlman, 2010). I slutändan kan det vara möjligt att utöka dessa möjligheter till optogenetisk reglering av transkriptionsaktivitet. På samma sätt gör optogenetiska verktyg det möjligt för första gången att studera inverkan av specifika ingångar till striatum och att avgöra om sådana inmatningar på selektiva sätt påverkar D₁+ kontra D₂+ MSN (Higley och Sabatini, 2010). Förmågan att kontrollera sådana signaler och molekylära egenskaper med stor tidsupplösning kommer att göra det möjligt att ta stora steg mot en mer omfattande förståelse av de två MSN-subtyperna och andra cellsubtyper i NAc och dStr, för att förmedla tidsförloppet och olika faser av läkemedel missbruk.

Intresseanmälan

Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Referensprojekt